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制造设计(DFM)

在IC开发的物理设计阶段所采取的行动,以确保设计可以准确地制造出来。
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描述

为制造而设计(DFM)是指在IC开发的物理设计阶段采取的行动,以确保设计可以准确地制造出来。

在较大的节点上,IC制造工艺中的大多数缺陷是由于超出公差的工艺步骤,即宏观水平的变化,或在光刻印刷步骤中中断通过布局掩模的光流的随机粒子,或嵌入在晶圆本身的一层中。过程控制反馈回路和洁净室分别有效地控制了这两种机制,并产生了高产量。

然而,当我们从90nm节点过渡到65nm、40nm、32nm、28nm、20nm和16/14nm时,业界预计我们将过渡到EUV光刻,以利用更短的波长进行光刻工艺。但由于EUV技术的延迟部署,该行业仍在使用193nm波长的光基步进器。

当光与物体相互作用时,衍射效应变得显著,狭缝接近于光波长的尺寸。半导体制造业已经远远超过了这个门槛。从130nm到65nm,分辨率增强技术,包括光学接近校正(也称为计算光刻),能够处理由衍射效应引起的畸变。这包括对预期的光畸变建模,并对掩模进行更改以校正它们,以便在晶圆上产生正确的曝光。幸运的是,对于IC设计人员来说,RET步骤遵循了带出,所以它对设计没有影响。

不幸的是,对于IC设计人员来说,一旦进入最小的节点,RET就不能纠正所有问题。因此,IC代工厂必须增加设计规则,设计人员需要进行设计更改,以消除或修改布局中不能准确制造的特征。在每个节点上,DFM规则变得更加复杂,影响范围也扩大了。例如,在20nm工艺中,为了提高整个模具的金属一致性而在布局中常规放置的填充形状规则变得更加复杂,填充多边形的数量增加了一到两个数量级。下面几节将详细介绍具体的DFM方法。

岩石热点分析

光刻技术检查

光刻(litho)分析包括模拟光扩散的影响和变化的影响,如聚焦深度和光强,对晶圆上预期形状的再现。litho分析工具收集有关设计如何在一系列条件下打印的数据,例如剂量、焦点、掩模位置和偏压的变化,而不仅仅是在最佳设置下。这些变化被称为“流程窗口”。然后,该工具预测布局的特定区域,即形状或形状的配置,这可能导致缺陷,如夹紧、断裂或短路互连线。工艺窗口的影响在已制造布局的图形描绘上显示为带。这些波段显示了在不同的工艺窗口变量值下,晶圆上的特征将如何呈现。设计师可以回顾热点和过程变量带,并在需要的地方对布局进行改进。

CMP热点分析
CMP热点分析寻找设计中由于化学-机械抛光(CMP)而出现缺陷的概率高于平均概率的区域。由于不同的材料在CMP工艺下会表现出不同的侵蚀率,因此保持整个模具的密度平衡是很重要的,以防止可能导致金属互连短路和开口的凸起和盘面。CMP分析测量布局的各个方面,以确保芯片在多层上构建时均匀的平面性。典型的测量包括最大和最小金属(铜)密度,定义窗口上的密度梯度,整个模具的密度变化,以及窗口内多边形的总周长。在已建立的指导方针之外表现出特征的区域被识别出来,并可以根据需要进行修改。

需要注意的是,“填充”程序通常在设计过程的最后执行,在设计的任何空白(空白)区域添加非功能性形状,最初的目的是提高整个模具金属密度的均匀性,以帮助CMP结果。如下文所述先进的填充在高级节点,填充的作用变得更加复杂。

关键区域分析
关键区域分析(CAA)查看IC的物理布局,以确定是否有区域可能由于随机粒子而容易受到高于平均缺陷率的影响。缺陷通常发生在粒子导致芯片互连短路或断开时。这种情况更有可能发生在相互连接的电线要么靠近在一起,要么最小宽度的电线。CAA根据布局形状的间距和尺寸,以及洁净室环境中颗粒的浓度和尺寸分布,进行分析,以确定所谓的“关键区域”。然后,设计师可以进行修改,例如利用空白空间,进一步分散电线或拓宽电线,以尽量减少这些关键区域。

通过增强
作为较小的节点,大量缺陷是由于在过孔应力点上积累气泡或在过孔位置上随机粒子导致的过孔形成不良造成的。这些问题可能导致接头松动或接头电阻过大。此外,与连接线重叠不足的过孔过渡也会显著导致屈服损失。一个简单的解决方案是在每个过渡处放置两个通孔,但是每个通孔加倍会导致其他与产量相关的问题,并对设计尺寸产生影响。此外,更改过孔可能导致需要重新路由设计,并可能创建DRC违规。

特殊的DFM工具可以识别通过转换,并在特定布局的上下文中提出建议,例如在哪里需要第二个通过插入,以及在哪里可以在不增加区域的情况下利用空白空间进行添加。它们还可以通过适当的通孔方向,即与现有的互连线一致,最大限度地减少寄生影响。这样的工具还可以扩大金属在孔道上的重叠,以提高连通性,减少潜在的缺陷。

关键特征分析
关键特征分析(CFA)寻找已知难以在晶圆上呈现的特定形状或形状组,因此在IC中有更高的可能性。这些特征通常通过模拟(如此处描述的litho热点分析)或通过测试芯片或缺陷部件的物理失效分析来识别。有许多方法可以指定和识别这些特性。设计人员可以编写传统的设计规则,以便在物理验证期间检查它们。然而,在标准设计规则检查(DRC)工具中使用基于表格的方法来定义最复杂的关键特性是相当困难的,在某些情况下是不可能的。如果工具支持,另一种方法是编写一个描述麻烦特性的方程。然后,检查工具识别出设计规则方程超出指定限制的所有特征。虽然这对于某些类别的关键功能是有用的,但它不能解决不适合算法描述的功能。因此,开发了一种基于模式识别的新方法(参见模式匹配)。

模式匹配
正如关键特性分析中所描述的,一些关键特性不能用简单的方式描述——它们太复杂了。为了帮助设计人员找到这些复杂的特性,物理验证和DFM工具现在采用了模式匹配技术。也就是说,设计人员可以简单地复制被识别为问题的特定功能(布局的一部分),并将其放入模式库中。然后DFM工具可以在整个布局中搜索库中出现的所有模式。当然,该工具必须足够智能,以考虑图案的不同方向和位置,甚至图案尺寸的微小变化,如设计师所指定的。一旦确定了问题特性,设计人员就可以采取适当的措施来修改或消除它们。此主题在模式匹配下的单独知识中心条目中有更详细的讨论。

DFM得分
从前面的讨论可以明显看出,DFM不是单一的技术或工具——它实际上是关于解决设计过程本身的各种制造问题和约束。DFM实践最终集中于提高产量和防止产品交付给客户后可能出现的缺陷。不幸的是,它们也意味着更多的工作,这意味着更多的工程成本和延迟的上市时间——这是典型的工程权衡。设计师需要一种方法来判断什么时候“适可而止”。这就是DFM评分的目的,它是一种方法,使用一组物理布局的测量来确定设计是否足够好,以实现可接受的产量,或者花额外的时间和精力来解决设计中剩余的一些最关键的DFM问题,以提高产量。这些方法往往是代工驱动的,因为它们基于代工指定的设计规则,而这些规则是基于他们的经验和来自每个节点的测试芯片和生产芯片的数据。

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